材料成型理論基礎(chǔ)練習(xí)題上

1、第1章 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)1.液體原子的分布特征為 無(wú)序、 有序，即液態(tài)金屬原子團(tuán)的結(jié)構(gòu)更類(lèi)似于 。2.實(shí)際液態(tài)金屬內(nèi)部存在 起伏、 起伏和 起伏 。3.物質(zhì)表面張力的大小與其內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力大小成 比，界面張力的大小與界面兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力大小成 比。衡量界面張力大小的標(biāo)志是潤(rùn)濕角的大小，潤(rùn)濕角越小，說(shuō)明界面能越 。4.界面張力的大小可以用潤(rùn)濕角來(lái)衡量，兩種物質(zhì)原子間的結(jié)合力 ，就潤(rùn)濕，潤(rùn)濕角 ；而兩種物質(zhì)原子間的結(jié)合力 ，就不潤(rùn)濕，潤(rùn)濕角 。5.影響液態(tài)金屬表面張力的主要因素是 ， ，和 。6.鋼液中的MnO，當(dāng)鋼液的溫度為1550時(shí)，對(duì)于r=0.0001m的球形雜質(zhì)，其上浮速度是多少？參

2、考答案：0.0071m/s7.影響液態(tài)金屬充型能力的因素可歸納為 合金本身性質(zhì) 、 鑄型性質(zhì) 、 澆注方面 、 鑄件結(jié)構(gòu)方面 四個(gè)方面的因素。8.影響液態(tài)金屬黏度的因素有 合金成分 、 溫度 、 非金屬夾雜物 。9.合金流動(dòng)性：合金本身的流動(dòng)能力；充型能力：液態(tài)金屬充滿(mǎn)鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力。10.液態(tài)合金的流動(dòng)性和充型能力有何異同？如何提高液態(tài)金屬的充型能力？答：液態(tài)金屬的流動(dòng)性和充型能力都是影響成形產(chǎn)品質(zhì)量的因素；不同點(diǎn)：流動(dòng)性是確定條件下的充型能力，它是液態(tài)金屬本身的流動(dòng)能力，由液態(tài)合金的成分、溫度、雜質(zhì)含量決定，與外界因素?zé)o關(guān)。而充型能力首先取決于流動(dòng)性，同時(shí)又與

3、鑄件結(jié)構(gòu)、澆注條件及鑄型等條件有關(guān)。提高液態(tài)金屬的充型能力的措施：（1）金屬性質(zhì)方面：改善合金成分；結(jié)晶潛熱L要大；比熱、密度大，導(dǎo)熱率小;粘度、表面張力小。（2）鑄型性質(zhì)方面：蓄熱系數(shù)??；適當(dāng)提高鑄型溫度；提高透氣性。（3）澆注條件方面：提高澆注溫度；提高澆注壓力。（4）鑄件結(jié)構(gòu)方面：在保證質(zhì)量的前提下盡可能減小鑄件厚度；降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。11.設(shè)凝固后期枝晶間液體相互隔絕，液膜兩側(cè)晶粒的拉應(yīng)力為1.5103Mpa，液膜厚度為1.110-6mm，根據(jù)液膜理論計(jì)算產(chǎn)生熱裂的液態(tài)金屬臨界表面張力= 0.825 N/m。12.表面張力：表面上平行于表面切線(xiàn)方向且各方向大小相等的張力。13.粘度表達(dá)

4、式：，雷諾數(shù)：第2章 凝固溫度場(chǎng)1.鑄件的凝固方式可以分為 、 和 三種不同形式，影響合金凝固方式的兩個(gè)主要因素是： 和 。2.合金的凝固溫度區(qū)間越大，液態(tài)合金充型過(guò)程中流動(dòng)性越 差 ，鑄件越容易呈 體積（或糊狀） 凝固方式。3.研究鑄件溫度場(chǎng)的方法有數(shù)學(xué)解析法 、 數(shù)值模擬法和 實(shí)測(cè)法 等。4. “平方根定律”公式為，寫(xiě)出公式中三個(gè)符號(hào)所代表的含義 ：凝固時(shí)間 、 ：凝固層厚度 、 K:凝固系數(shù) 5.比較同樣體積大小的球狀、塊狀、板狀及桿狀鑄件凝固時(shí)間的長(zhǎng)短。解：一般在體積相同的情況下上述物體的表面積大小依次為：A球A塊A板t塊t板t桿。6.右圖為一灰鑄鐵底座鑄件的斷面形狀，其厚度為30mm

5、，利用“模數(shù)法”分析砂型鑄造時(shí)底座的最后凝固部位，并估計(jì)凝固終了時(shí)間.1000160160600120解：將底座分割成A、B、C、D四類(lèi)規(guī)則幾何體（見(jiàn)右下圖）查表2-3得：K=0.72()對(duì)A有：RA= VAAA=1.23cmtA=RAKA=2.9min對(duì)B有: RB= VBAB=1.33cmtB=RBKB=3.4min對(duì)C有：RC= VCAC=1.2cmtC=RCKC=2.57min對(duì)D有：RD= VDAD=1.26cmtD=RDKD=3.06min因此最后凝固部位為底座中肋B處，凝固終了時(shí)間為3.4分鐘。l 1000l 160l 160l 600l 120 A A A A B BCCCCD

6、DD7.寫(xiě)出平方根定律和折算厚度法則的公式，并解釋兩個(gè)公式的差別。答：1）平方根定律：即；折算厚度法則：2）代表鑄件凝固層厚度，適應(yīng)薄板類(lèi)鑄件；為折算厚度,可適用各種形狀的鑄件。8. 影響鑄件凝固方式的因素是什么？凝固方式與鑄造性能和鑄件質(zhì)量之間有什么關(guān)系？ 答：1)影響鑄件凝固方式的因素:結(jié)晶溫度范圍和溫度梯度；2)a逐層凝固：集中縮孔大，易補(bǔ)縮，鑄件較致密；熱裂傾向??；流動(dòng)性好。所以，鑄件質(zhì)量好。b體積凝固：不易補(bǔ)縮，易形成縮孔；流動(dòng)性差；熱裂傾向大；鑄件不致密，性能較差。c中間凝固：介于以上兩者之間第3章 金屬凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)1金屬結(jié)晶形核時(shí)，系統(tǒng)自由能變化G由兩部分組成，其中相變驅(qū)動(dòng)

7、力為 ，相變阻力為 。2.非均質(zhì)形核過(guò)程，晶體與雜質(zhì)基底的潤(rùn)濕角 越小，非均質(zhì)形核功越 ，形核率越 ；非均質(zhì)形核臨界半徑與均質(zhì)形核的關(guān)系為 。 3.為什么金屬必須要有一過(guò)冷度才能發(fā)生液-固相變？4什么是溶質(zhì)平衡分配系數(shù)？設(shè)狀態(tài)圖中液相線(xiàn)和固相線(xiàn)為直線(xiàn)，證明其k0為常數(shù)。特定溫度下固相合金成分濃度與液相合金成分濃度達(dá)到平衡時(shí)的比值如上圖：液相線(xiàn)：T*Tm (Cl*-0) 固相線(xiàn)：T*Tm (Cs*-0) 得：1即 k05.名詞解釋1）非均質(zhì)形核與均質(zhì)形核答：非均質(zhì)形核：液態(tài)金屬中新相以外來(lái)質(zhì)點(diǎn)為基底進(jìn)行形核的方式。 均質(zhì)形核 ：形核前液相金屬或合金中無(wú)外來(lái)固相質(zhì)點(diǎn)而從液相自身發(fā)生形核的過(guò)程，所以

8、也稱(chēng)“自發(fā)形核”。 2）粗糙界面與光滑界面 答：粗糙界面：a2，固液界面上有一半點(diǎn)陣位置被原子占據(jù)，另一半位置則空著，微觀上是粗糙的；光滑界面：a2，界面上的位置幾乎被原子占據(jù)，微觀上是光滑的。 3）粗糙界面與光滑界面及其判據(jù)答：固液界面固相一側(cè)的點(diǎn)陣位置有一半左右被固相原子所占據(jù)，形成凸凹不平的界面結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為粗糙界面；固液界面固相一側(cè)的點(diǎn)陣位置幾乎全被固相原子所占據(jù)，只留下少數(shù)空位或臺(tái)階，稱(chēng)為光滑界面。根據(jù)jachson因子（）大小可以判斷： 2的物質(zhì)，凝固時(shí)固-液界面為粗糙面， 5的物質(zhì)，凝固時(shí)界面為光滑面， 6.液態(tài)金屬（合金）凝固的驅(qū)動(dòng)力由 提供，而凝固時(shí)的形核方式有 、 兩種。7.對(duì)

9、于溶質(zhì)平衡分配系數(shù)K01時(shí)，K0越大，最終凝固組織的成分偏析越 。常將1- K0稱(chēng)為 。 8.設(shè)理想液體在凝固時(shí)形成的臨界核心是邊長(zhǎng)為a*的立方體形狀;(1)求均質(zhì)形核時(shí)的a*和G*的關(guān)系式。(2)證明在相同過(guò)冷度下均質(zhì)形核時(shí)，球形晶核較立方形晶核更易形成。 9.設(shè)Ni的最大過(guò)冷度為319，已知Tm1453,Hm1870J/mol，LS=2.2510-5J/cm2,摩爾體積為Vs=6.6cm3.求G*均和r*均參考答案：r*均=8.59*109 m G*均=6.95*1017 J 10.晶體長(zhǎng)大時(shí)，有三種長(zhǎng)大方式，長(zhǎng)大速度按順序依次為： 連續(xù) 、 缺陷 、和 二維形核 。金屬?gòu)钠渥陨砣垠w中結(jié)晶

10、，一般以 連續(xù) 方式長(zhǎng)大。11.為什么均質(zhì)生核和非均質(zhì)生核的臨界晶核半徑相同，而臨界生核功不同？答：臨界晶核半徑的含義：當(dāng)晶核達(dá)到此半徑時(shí)，如液相原子向此堆砌生長(zhǎng)，造成的表面能的增加比體積自由能的下降小，即自由能下降，此時(shí)，晶體生長(zhǎng)是穩(wěn)定的，所以晶核能逐漸長(zhǎng)大。如是均質(zhì)生核，臨界晶核是近似球形，其所包含的原子數(shù)較多，所需要的能量起伏較大，即生核功較大；如是非均質(zhì)生核，臨界晶核的大小與潤(rùn)濕角有關(guān)，同樣的晶核半徑時(shí)，當(dāng)晶體與襯底的潤(rùn)濕角越小，晶核所包含的原子個(gè)數(shù)越少，因此所需的形核功越小。所以，雖然均質(zhì)生核和非均質(zhì)生核的臨界晶核半徑相同，而臨界生核功不同。12.從原子尺度看，固液界面結(jié)構(gòu)有哪幾種？

11、它們與生長(zhǎng)機(jī)理有何聯(lián)系？ 答：有兩種固液界面結(jié)構(gòu)：平整界面和粗糙界面平整界面的生長(zhǎng)機(jī)理：a.理想的平整界面依靠平整界面上生產(chǎn)二維晶核，然后在晶核周?chē)呐_(tái)階上生長(zhǎng)；b.當(dāng)界面上有缺陷時(shí)，可依靠螺旋位錯(cuò)、旋轉(zhuǎn)孿晶、反射孿晶等缺陷提供的臺(tái)階生長(zhǎng)。粗糙界面由于液相原子堆砌而被彈回的幾率很小，因此生長(zhǎng)速度較大，此時(shí)稱(chēng)為連續(xù)生長(zhǎng)或正常生長(zhǎng)。14. 隨顆粒尺寸的減小，金屬的熔點(diǎn)會(huì)下降，其原因是什么？這種效應(yīng)通常在什么尺寸量級(jí)才會(huì)明顯地表現(xiàn)出來(lái)？參考：表面能（張力）作用突顯，納米，第4章 單相及多相合金的結(jié)晶1.根據(jù)成份過(guò)冷理論的分析，由于過(guò)冷程度的不同就會(huì)使焊縫組織出現(xiàn)不同的結(jié)晶形態(tài)，主要有平面結(jié)晶 、胞狀

12、結(jié)晶 、胞狀樹(shù)枝結(jié)晶 、樹(shù)枝狀結(jié)晶 和等軸結(jié)晶 。2.根據(jù)界面結(jié)構(gòu)的不同，可將共晶合金分為兩大類(lèi) 非小面-小面 和 非小面-非小面 3.用圖形表示K01的合金鑄件單向凝固時(shí)，在以下四種凝固條件下所形成的鑄件中溶質(zhì)元素的分布曲線(xiàn)： （1） 平衡凝固；（2） 固相中無(wú)擴(kuò)散而液相中完全混合； （3） 固相中無(wú)擴(kuò)散而液相中只有擴(kuò)散；（4） 固相中無(wú)擴(kuò)散而液相中部分混合。 答：幾種條件下的溶質(zhì)分布如圖所示：4. 內(nèi)生生長(zhǎng)和外生生長(zhǎng) 凝固自型壁行核，由外向內(nèi)的生長(zhǎng)稱(chēng)為外生生長(zhǎng)，如柱狀晶，胞狀晶的生長(zhǎng)； 在熔體內(nèi)部形核，由內(nèi)向外的自由生長(zhǎng)稱(chēng)為內(nèi)生生長(zhǎng)，如等軸晶的生長(zhǎng)。5. 共生生長(zhǎng)和離異生長(zhǎng) 共生生長(zhǎng)：共晶

13、結(jié)晶時(shí)，兩相相互依附，借助于對(duì)方析出的多余原子的橫向擴(kuò)散而同步偶合生長(zhǎng)的方式。 離異生長(zhǎng)：共晶的兩相間沒(méi)有共同生長(zhǎng)的界面，析出和生長(zhǎng)在時(shí)間上與空間上都相互獨(dú)立的生長(zhǎng)方式。6.共晶組織生長(zhǎng)中，共晶兩相通過(guò)原子的 橫向擴(kuò)散不斷排走界面前沿積累的溶質(zhì)，且又互相提供生長(zhǎng)所需的組元彼此合作，并排地快速向前生長(zhǎng)，這種共晶生長(zhǎng)方式稱(chēng)為 共生生長(zhǎng)。 7. 固相無(wú)擴(kuò)散、液相只有擴(kuò)散情況下產(chǎn)身成分過(guò)冷的判據(jù)及影響成分過(guò)冷的因素，說(shuō)明成分過(guò)冷對(duì)結(jié)晶形貌的影響？答：成分過(guò)冷判據(jù)：影響成分過(guò)冷的因素：液相中溫度梯度GL越小，成分過(guò)冷越大；生長(zhǎng)速度R越大，成分過(guò)冷越大；液相線(xiàn)斜率mL越大，成分過(guò)冷越大；合金原始成分C0越

14、大，成分過(guò)冷越大； 擴(kuò)散系數(shù)DL越小，成分過(guò)冷越大；分配系數(shù)K0越小，成分過(guò)冷越大。成分過(guò)冷對(duì)結(jié)晶形貌的影響：當(dāng)C0一定時(shí)，隨著GL減小，或R增大時(shí)，晶體形貌由平面晶依次發(fā)展為胞狀樹(shù)枝晶、柱狀樹(shù)枝晶、等軸樹(shù)枝晶；而當(dāng)GL、R一定時(shí)，隨C0的增加，晶體形貌也同樣由平面晶依次發(fā)展為胞狀樹(shù)枝晶、柱狀樹(shù)枝晶、等軸樹(shù)枝晶。 8簡(jiǎn)述晶體生長(zhǎng)形貌隨成分過(guò)冷大小變化的規(guī)律。 參考：隨“成分過(guò)冷”程度的增大，固溶體生長(zhǎng)方式由無(wú)“成分過(guò)冷”時(shí)的“平面晶”依次發(fā)展為：胞狀晶柱狀樹(shù)枝晶內(nèi)部等軸晶。9.Al-Cu相圖的主要參數(shù)為CE33%Cu,=5.65, Tm660,TE548。用Al1Cu合金澆一細(xì)長(zhǎng)試樣，使其從左

15、至右單向凝固，冷卻速度足以保持固液界面為平界 面，當(dāng)固相無(wú)Cu擴(kuò)散，液相中Cu充分混合時(shí)，求：(1)凝固10時(shí)，固液界面的CS*和CL*。(2)共晶體所占的比例。答：（1）溶質(zhì)分配系數(shù) k0=0.171 當(dāng)10時(shí)，有 0.1871.09（2）設(shè)共晶體所占的比例為，則則0.014710.何謂熱過(guò)冷和成分過(guò)冷？成分過(guò)冷的本質(zhì)是什么？答：金屬凝固時(shí)，完全由熱擴(kuò)散控制，這樣的過(guò)冷稱(chēng)為熱過(guò)冷；由固液界面前方溶質(zhì)再分配引起的過(guò)冷稱(chēng)為成分過(guò)冷。成分過(guò)冷的本質(zhì)：由于固液界面前方溶質(zhì)富集而引起溶質(zhì)再分配，界面處溶質(zhì)含量最高，離界面越遠(yuǎn)，溶質(zhì)含量越低。由結(jié)晶相圖可知，固液界面前方理論凝固溫度降低，實(shí)際溫度和理論凝

16、固溫度之間就產(chǎn)生了一個(gè)附加溫度差T，即成分過(guò)冷度，這也是凝固的動(dòng)力。11.影響成分過(guò)冷的因素有哪些？哪些是屬于可控制的工藝因素？成分過(guò)冷對(duì)晶體的生長(zhǎng)方式有何影響？晶體的生長(zhǎng)方式只受成分過(guò)冷的影響嗎？答：影響成分過(guò)冷的因素有G、v、DL、m、k0、C0，可控制的工藝因素為DL。過(guò)冷對(duì)晶體的生長(zhǎng)方式的影響：當(dāng)稍有成分過(guò)冷時(shí)為胞狀生長(zhǎng)，隨著成分過(guò)冷的增大，晶體由胞狀晶變?yōu)橹鶢罹А⒅鶢顦?shù)枝晶和自由樹(shù)枝晶，無(wú)成分過(guò)冷時(shí)，以平面方式或樹(shù)枝晶方式生長(zhǎng)。晶體的生長(zhǎng)方式除受成分過(guò)冷影響外，還受熱過(guò)冷的影響。12.影響成分過(guò)冷范圍的因素有哪些？它對(duì)材質(zhì)或成形產(chǎn)品（鑄件）的質(zhì)量有何影響？答：影響成分過(guò)冷范圍的因素有

17、：成分過(guò)冷的條件為 成分過(guò)冷的范圍為 上式中，為不變量，所以影響成分過(guò)冷范圍的因素只有DL、GL和v。對(duì)于純金屬和一部分單相合金的凝固，凝固的動(dòng)力主要是熱過(guò)冷，成分過(guò)冷范圍對(duì)成形產(chǎn)品沒(méi)什么大的影響；對(duì)于大部分合金的凝固來(lái)說(shuō)，成分過(guò)冷范圍越寬，得到成型產(chǎn)品性能越好。13.小面非小平面共晶生長(zhǎng)的最大特點(diǎn)是什么？它與變質(zhì)處理有何關(guān)系？答：小面非小平面生長(zhǎng)最大的特點(diǎn)是：有強(qiáng)烈的方向性。變質(zhì)處理改變了小平面的形態(tài)，使得晶體生長(zhǎng)方式發(fā)生改變。14.Mg、S、O等元素如何影響鑄鐵中石墨的生長(zhǎng)。答：S、O等活性元素吸附在旋轉(zhuǎn)孿晶臺(tái)階處，顯著降低了石墨棱面（）與合金液面間的界面張力，使得（）方向的生長(zhǎng)速度大于（

18、0001）方向，石墨最終長(zhǎng)成片狀。Mg是反石墨化元素，在它的作用下，石墨最終長(zhǎng)成球狀。15.Al-Cu合金相圖的主要參數(shù)：CE=33%,Csm=5.65%,Tm=660,TE=548, 用Al-1%Cu（即：Co=1%）合金澆一細(xì)長(zhǎng)圓棒試樣，使其從左至右單向凝固，冷卻速度足以保持固-液界面為平面。當(dāng)固相中無(wú)Cu擴(kuò)散，液相中Cu有擴(kuò)散而無(wú)對(duì)流，達(dá)到穩(wěn)態(tài)凝固時(shí)，求：（1）固-液界面的Cs*和CL*（2）固-液界面的Ti（忽略動(dòng)力學(xué)過(guò)冷度Tk）（1） （2） 16.某二元合金相圖如圖所示。合金液成分為WB=40%，置于長(zhǎng)瓷舟中并從左端開(kāi)始凝固。溫度梯度大到足以使固液界面保持平面生長(zhǎng)。1）假設(shè)固相無(wú)擴(kuò)

19、散，液相均勻混合。試求：相與液相之間的平衡分配系數(shù)k0；凝固后共晶體的數(shù)量占試棒長(zhǎng)度的百分之幾？畫(huà)出凝固后的試棒中溶質(zhì)B的濃度沿試棒長(zhǎng)度的分布曲線(xiàn)，并注明各特征成分及其位置。2）假設(shè)固相無(wú)擴(kuò)散，液相有擴(kuò)散而無(wú)對(duì)流。求達(dá)到穩(wěn)態(tài)凝固時(shí)：固-液界面的Cs*和CL*L900500A30 4060Bt/wB1001）液相均勻混合時(shí)：a) b) 共晶體所占的百分?jǐn)?shù)應(yīng)該是，在共晶溫度時(shí)所剩余的液相，此時(shí)應(yīng)利用夏爾公式 ，40 6040 44.4% 所以，共晶體占試棒長(zhǎng)度的44.4c) C%f00.55612030602) 達(dá)到穩(wěn)態(tài)凝固時(shí)Cs*=C0=40% CL*= C0/k0=40%/0.5=80% 17

20、.論述成分過(guò)冷與熱過(guò)冷的涵義以及它們之間的區(qū)別和聯(lián)系。成分過(guò)冷的涵義:合金在不平衡凝固時(shí)，使液固界面前沿的液相中形成溶質(zhì)富集層，因富集層中各處的合金成分不同，具有不同的熔點(diǎn)，造成液固前沿的液相處于不同的過(guò)冷狀態(tài)，這種由于液固界面前沿合金成分不同造成的過(guò)冷。熱過(guò)冷的涵義: 界面液相側(cè)形成的負(fù)溫度剃度，使得界面前方獲得大于的過(guò)冷度。成分過(guò)冷與熱過(guò)冷的區(qū)別 : 熱過(guò)冷是由于液體具有較大的過(guò)冷度時(shí)，在界面向前推移的情況下，結(jié)晶潛熱的釋放而產(chǎn)生的負(fù)溫度梯度所形成的?？沙霈F(xiàn)在純金屬或合金的凝固過(guò)程中，一般都生成樹(shù)枝晶。成分過(guò)冷是由溶質(zhì)富集所產(chǎn)生，只能出現(xiàn)在合金的凝固過(guò)程中，其產(chǎn)生的晶體形貌隨成分過(guò)冷程度的

21、不同而不同，當(dāng)過(guò)冷程度增大時(shí)，固溶體生長(zhǎng)方式由無(wú)成分過(guò)冷時(shí)的“平面晶”依次發(fā)展為：胞狀晶柱狀樹(shù)枝晶內(nèi)部等軸晶（自由樹(shù)枝晶）。成分過(guò)冷與熱過(guò)冷的聯(lián)系: 對(duì)于合金凝固，當(dāng)出現(xiàn)“熱過(guò)冷”的影響時(shí)，必然受“成分過(guò)冷”的影響，而且后者往往更為重要。即使液相一側(cè)不出現(xiàn)負(fù)的溫度梯度，由于溶質(zhì)再分配引起界面前沿的溶質(zhì)富集，從而導(dǎo)致平衡結(jié)晶溫度的變化。在負(fù)溫梯下，合金的情況與純金屬相似，合金固溶體結(jié)晶易于出現(xiàn)樹(shù)枝晶形貌。18.焊接熔池凝固結(jié)晶的特點(diǎn)。答：熔池結(jié)晶的特點(diǎn)是：（1）聯(lián)生結(jié)晶，或外沿生長(zhǎng)（2）擇優(yōu)生長(zhǎng)，柱狀晶彎曲地指向焊縫中心。 19晶體擇優(yōu)生長(zhǎng)答:在樹(shù)枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中，那些與熱流方向相平行的枝晶較之取

22、向不利的相鄰枝晶會(huì)生長(zhǎng)得更為迅速，其優(yōu)先向內(nèi)伸展并抑制相鄰枝晶的生長(zhǎng)，這種相互競(jìng)爭(zhēng)淘汰的晶體生長(zhǎng)過(guò)程稱(chēng)為晶體的擇優(yōu)生長(zhǎng)。20.通常條件下，都盡可能使鑄件獲得細(xì)小的等軸晶組織，請(qǐng)問(wèn)： （1）細(xì)小的等軸晶組織對(duì)于減少凝固缺陷、提高力學(xué)性能有何重要意義？ （2）通過(guò)哪些實(shí)際措施可以使鑄件獲得細(xì)小的等軸晶組織？答：（1） 細(xì)小的等軸晶組織可以使材料具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性、韌性。除此之外，如果合金的凝固組織是均勻細(xì)小的等軸晶，那么凝固過(guò)程中的雜質(zhì)元素與溶質(zhì)元素偏析的傾向都可以得到有效的抑制，從而可以減少由于偏析所產(chǎn)生的氣孔、夾雜、熱裂紋等凝固缺陷，并提高其化學(xué)成分、組織與力學(xué)性能的均勻性。 （2）

23、獲得細(xì)小的等軸晶組織的途徑在于強(qiáng)化熔體獨(dú)立生核，促進(jìn)晶粒游離，具體有以下三個(gè)方面措施： 1） 合理地控制澆注工藝和冷卻條件 2） 孕育處理 3）動(dòng)力學(xué)細(xì)化 21.某二元合金相圖如下圖所示。合金液成分為C0=CB=10%，置于長(zhǎng)瓷舟中并從左端開(kāi)始凝固。溫度梯度大到足以使固-液界面保持平面生長(zhǎng)。假設(shè)固相無(wú)擴(kuò)散，液相均勻混合。 證明已凝固部分（）的平均成分為當(dāng)試棒凝固時(shí)，液體成分增高，而這又會(huì)降低液相線(xiàn)溫度。證明液相線(xiàn)溫度與之間關(guān)系（為純組元A的熔點(diǎn)，為液相線(xiàn)斜率的值）為：答：證明： 第7章 液態(tài)金屬與氣相的相互作用1.在一個(gè)由金屬、金屬氧化物、和氧化性氣體組成的體系中，若金屬氧化物的分解壓為PO2

24、，氧的實(shí)際分壓為PO2。則，當(dāng) ，金屬被氧化，當(dāng) 時(shí)，金屬被還原，當(dāng) 時(shí)，處于平衡狀態(tài)。2.對(duì)于氣體在金屬中溶解為吸熱反應(yīng)的，氣體的溶解度隨溫度 升高 而升高。氫在合金液中溶解度隨焊接氣氛氧化性的 增強(qiáng) 而降低。3.CO2、H2O和空氣在高溫下哪個(gè)對(duì)金屬的氧化性更大？答：在液態(tài)鐵存在的溫度，空氣對(duì)金屬的氧化性是最大的，而H2O 氣的氧化性比 CO2小。4.電弧焊時(shí)，氣體在金屬中的溶解度是否服從平方根定律？為什么？答：當(dāng)溫度一定時(shí)，雙原子氣體的溶解度與其分壓的平方根成正比，這一規(guī)律稱(chēng)為平方根定律，但是電弧焊時(shí)，金屬液體的溫度是變化的，所以氣體在金屬中的溶解度不服從平方根定律。5.氣體對(duì)金屬質(zhì)量有

25、哪些影響？答：1)使材料脆化 鋼材中氮、氫或氧的含量增加時(shí)，其塑性和韌性都將下降，尤其是低溫韌性下降更為嚴(yán)重。2)形成氣孔 氮和氫均能使金屬產(chǎn)生氣孔。液態(tài)金屬在高溫時(shí)可以溶解大量的氮或氫，而在凝固時(shí)氮或氫的溶解度突然下降，這時(shí)過(guò)飽和的氮或氫以氣泡的形式從液態(tài)金屬中向外逸出。當(dāng)液態(tài)金屬的凝固速度大于氣泡的逸出速度時(shí)，就會(huì)形成氣孔。3)產(chǎn)生冷裂紋 冷裂紋是金屬冷卻到較低溫度下產(chǎn)生的一種裂紋，其危害性很大。氫是促使產(chǎn)生冷裂紋的主要因素之一。4)引起氧化和飛濺 氧可使鋼中有益的合金元素?zé)龘p，導(dǎo)致金屬性能下降；焊接時(shí)若溶滴中含有較多的氧和碳，則反應(yīng)生成的CO氣體因受熱膨脹會(huì)使熔滴爆炸，造成飛濺，影響焊接

26、過(guò)程的穩(wěn)定性。此外應(yīng)當(dāng)指出，焊接材料具有氧化性并不都是有害的，有時(shí)故意在焊接材料中加入一定量的氧化劑，以減少焊縫的氫含量，改善電弧的特性，獲得必要的熔渣物化性能。6.焊接區(qū)內(nèi)的氣體，對(duì)焊接質(zhì)量有重要影響的是 N2 、 H2 、O2、H2O和 CO2 。7.氣體是如何溶解到金屬中的？電弧焊條件下，氮和氫的溶解過(guò)程一樣嗎？答：氣體溶解到金屬中分四個(gè)階段：（1）氣體分子向金屬-氣體界面上運(yùn)動(dòng)；（2）氣體被金屬表面吸附；（3）氣體分子在金屬表面上分解為原子；（4）原子穿過(guò)金屬表面層向金屬內(nèi)部擴(kuò)散。電弧焊條件下，氮和氫的溶解過(guò)程不一樣，氫在高溫時(shí)分解度較大，電弧溫度下可完全分解為原子氫，其溶解過(guò)程為分解

27、 吸附 溶入 。在電弧氣氛中，氮以分子形式存在，其溶解過(guò)程為吸附 分解 溶入 。8.哪些因素影響氣體在金屬中的溶解度，其影響因素如何？答：氣體在金屬中的溶解度與壓力，溫度，合金成分等因素有關(guān)：（1）當(dāng)溫度一定時(shí)，雙原子的溶解度與其分壓的平方根成正比（2）當(dāng)壓力一定時(shí)，溶解度與溫度的關(guān)系決定于溶解反應(yīng)類(lèi)型，氣體溶解過(guò)程為吸熱反應(yīng)時(shí)，H為正值，溶解度隨溫度的升高而增加；金屬吸收氣體為放熱反應(yīng)時(shí)，H為負(fù)值，溶解度隨溫度的上升而降低。（3）合金成分對(duì)溶解度的影響：液態(tài)金屬中加入能提高氣體含量的合金元素，可提高氣體的溶解度；若加入的合金元素能與氣體形成穩(wěn)定的化合物（即氮、氫、氧化合物），則可降低氣體的溶

28、解度。此外，合金元素還能改變金屬表面膜的性質(zhì)及金屬蒸氣壓，從而影響氣體的溶解度。（4）電流極性的影響：直流正接時(shí)，熔滴處于陰極，陽(yáng)離子將向熔滴表面運(yùn)動(dòng)，由于熔滴溫度高，比表面積大，故熔滴中將溶解大量的氫或氮；直流反接時(shí)，陽(yáng)離子仍向陰極運(yùn)動(dòng)，但此時(shí)陰極已是溫度較低的溶池，故氫或氮的溶解量要少。（5）焊接區(qū)氣氛性質(zhì)的影響：氣體分子或原子受激后溶解速度加快；電弧氣氛中的陽(yáng)離子N+或H+可直接在陰極溶解；在氧化性電弧氣氛中形成的NO，遇到溫度較低的液態(tài)金屬時(shí)可分解為N和O，而N能迅速溶入金屬。第8章 液態(tài)金屬與熔渣的相互作用1. 熔渣對(duì)于焊接、合金熔煉過(guò)程起著積極作用。主要作用有： 作用、 作用和 作

29、用。2.熔渣分子理論和離子理論的基本觀點(diǎn)是什么？3.熔渣的堿度的分子理論和離子理論？4.根據(jù)熔渣隨溫度變化的速率可將焊接熔渣分為“長(zhǎng)渣”與“短渣”?！伴L(zhǎng)渣”是指隨溫度下降粘度 的渣，“短渣”是指隨溫度下降粘度 的渣。5.在熔渣中含F(xiàn)eO相同的情況下，堿性渣比酸性渣對(duì)鋼液的氧化性 。實(shí)際焊接鋼時(shí)，堿性焊條的焊縫含氧量比酸性焊條的 。6.熔渣對(duì)液態(tài)金屬的氧化方式有哪些？寫(xiě)出氧化的原理。7.由熔渣的離子理論可知，液態(tài)堿性中自由氧離子的濃度遠(yuǎn)高于酸性渣，這是否意味著堿性渣的氧化性要比酸性渣更強(qiáng)？為什么？答：不一定比酸性渣強(qiáng)。因?yàn)殡x子理論把液態(tài)熔渣中自由氧離子的濃度定義為堿度。渣中自由氧離子的濃度越大，

30、其堿度就越大，雖然液態(tài)堿性渣中自由氧離子的濃度遠(yuǎn)大于酸性渣，但是它不一定與熔渣中的某些物質(zhì)反應(yīng)，進(jìn)而不能體現(xiàn)出其具有氧化性，而酸性渣則可以，熔渣的氧化性通常是用渣中含有最不穩(wěn)定的氧化物FeO 的高低及該氧化物在熔渣中的活度來(lái)衡量的。8.1600攝氏度時(shí)，煉鋼熔池中熔渣的成分為： 氧化物 Cao Mgo Mno Feo Fe2O3 SiO2 P2O5 重量（%） 46.59 3.2 5.68 13.82 4.47 24 2.24鋼水含氧0.07%，問(wèn)熔渣對(duì)鋼水而言是氧化渣還是還原渣？解：W（SiO2+P2O5）=26.24%W(Cao+Mgo+Mno)=55.47%查圖8-4得：Feo的堿度系數(shù)

31、為0.65Lg%Omax= -6320/T+2.734當(dāng)T=1600時(shí)，%O max =0.23因?yàn)?O= %O max *0.65=0.23*0.65=0.15在1600攝氏度時(shí)熔渣與液態(tài)金屬構(gòu)成的系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí)的液態(tài)金屬中含氧量為0.15%，而實(shí)際中鋼水含氧0.07%0.15%，固熔渣對(duì)鋼水而言是氧化渣。9.為什么Feo在堿性渣中活度系數(shù)比在酸性渣中大？這是否說(shuō)明堿性渣的氧化性高于酸性渣？為什么？答：1）渣中SiO2、TiO2等酸性氧化物較少，F(xiàn)eO大部分以自由態(tài)存在，即FeO在渣中活度系數(shù)比在酸性渣中大。2）但這并不能說(shuō)明堿性渣 的氧化性大于酸性渣3）雖然堿性渣中FeO的活度系數(shù)大，但堿

32、性渣中FeO的含量并不高，因此堿性渣對(duì)液態(tài)金屬的氧話(huà)性比酸性渣小。第9章 液態(tài)金屬的凈化與精煉1.沉淀脫氧及其優(yōu)、缺點(diǎn)沉淀脫氧是指溶解于液態(tài)金屬中的脫氧元素直接和熔池中的FeO反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為不溶于液態(tài)金屬的氧化物，并轉(zhuǎn)入熔渣中的脫氧方式。優(yōu)點(diǎn)：脫氧速度快，脫氧徹底。缺點(diǎn)：脫氧產(chǎn)物不能清除時(shí)易形成夾雜。2.擴(kuò)散脫氧：通過(guò)降低熔渣中（Feo）含量，或通過(guò)改變界面兩側(cè)Feo的平衡條件促使Feo向熔渣中轉(zhuǎn)移而降低液態(tài)金屬中的（Feo）含量的方法稱(chēng)為擴(kuò)散脫氧。3.熔煉鋼時(shí)，根據(jù)脫磷反應(yīng)原理，提高脫磷效率的原則是希望較 的溫度、高堿度、 氧化性（FeO）熔渣、熔渣的粘度低及足夠的渣量。4.簡(jiǎn)述擴(kuò)散脫氧的

33、原理。說(shuō)明熔渣堿度對(duì)擴(kuò)散脫氧的影響？答：在液態(tài)金屬與熔渣的界面上進(jìn)行的，以分配定律為理論基礎(chǔ)：L=FeO/(FeO) 通過(guò)減少熔渣中的(FeO)含量使金屬液中的FeO向熔渣中擴(kuò)散，從而脫去金屬中的氧的方法。酸性渣中的酸性氧化物與FeO生成復(fù)合物使其活度減小，而有利于液態(tài)金屬的氧向熔渣擴(kuò)散，因此脫氧能力強(qiáng)，相反堿性渣中FeO的活度大，擴(kuò)散脫氧的能力小。5. 通過(guò)熔渣進(jìn)行脫硫和脫磷有何矛盾（請(qǐng)寫(xiě)出相應(yīng)的冶金反應(yīng)式）？在煉鋼過(guò)程中是如何解決這一矛盾的？ （1） 通過(guò)熔渣脫硫：渣中的堿性氧化物MnO、CaO、MgO 等都具有脫硫作用：吸熱反應(yīng)提高溫度，提高堿度，減少（FeO）含量（熔渣氧化性），有利脫

34、硫。（2） 通過(guò)熔渣脫磷：降低溫度、提高堿度、增加（FeO）含量（熔渣氧化性），有利脫磷。（3） 矛盾：脫磷加強(qiáng)氧化性和降低溫度與脫硫的提高溫度和熔渣氧化性的要求相矛盾的。（4） 在煉鋼時(shí)解決這一矛盾的辦法是采取分階段的措施。脫磷可在氧化期進(jìn)行，然后扒出含磷高的氧化性渣，另造新渣進(jìn)入還原期，此時(shí)進(jìn)行脫氧和脫硫。6.請(qǐng)寫(xiě)出練鋼時(shí)擴(kuò)散脫氧和沉淀脫氧的表達(dá)式，并簡(jiǎn)述熔渣堿度對(duì)脫氧效果的影響。（1）擴(kuò)散脫氧：FeO（FeO），熔渣堿度提高，不利于擴(kuò)散脫氧；（2）沉淀脫氧：M+FeO（MO）+Fea.Mn脫氧時(shí)：Mn+FeO（MnO）+Fe，熔渣堿度提高，不利于脫氧；b.Si脫氧時(shí)：Si+2FeO（Si

35、O2）+2Fe，熔渣堿度提高，有利脫氧。7.沉淀脫氧應(yīng)具備的三個(gè)條件？ 對(duì)氧親和力較大的元素； 脫氧產(chǎn)物應(yīng)不溶于金屬而成為獨(dú)立液相轉(zhuǎn)入熔渣； 熔渣的酸堿性質(zhì)應(yīng)與脫氧產(chǎn)物的性質(zhì)相反，以利于熔渣吸收脫氧產(chǎn)物 。8.擴(kuò)散脫氧的優(yōu)缺點(diǎn)？實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散脫氧的條件？擴(kuò)散脫氧的優(yōu)點(diǎn)：脫氧產(chǎn)物留在熔渣中，液態(tài)金屬不會(huì)因脫氧而造成夾雜缺點(diǎn)：擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行緩慢，脫氧時(shí)間長(zhǎng)。條件：還原性爐氣，高的爐溫，爐渣粘度小。9.為什么說(shuō)一般煉鋼過(guò)程中，脫碳是手段而不是目的？10.脫磷的有利條件是高堿度和強(qiáng)氧化性的、粘度小的熔渣，較大的渣量和較低的溫度。11.熔渣脫硫的影響因素：還原性爐渣、熔渣的高堿度、粘度小的爐渣、高的爐溫、硫的活

36、度大。12.為什么酸性焊條常采用錳鐵作為脫氧元素？答：酸性渣中含有較多的 SiO2 和 TiO2，它們?nèi)菀着c錳的脫氧產(chǎn)物 MnO 生成復(fù)合物 MnOSiO2 和 MnOTiO2，使 MnO 的活度系數(shù)減小，因此脫氧效果較好。相反，在堿性渣中 MnO 的活度較大，不利于錳脫氧。堿度越大，錳的脫氧效果越差。 13.為什么堿性焊條不單獨(dú)采用硅鐵作為脫氧元素？答：硅的脫氧能力比錳大，但生成的 SiO2熔點(diǎn)高，通常認(rèn)為處于固態(tài)，不易聚合為大的質(zhì)點(diǎn)；同時(shí)SiO2與鋼液的界面張力小，潤(rùn)濕性好，不易從鋼液中分離，易造成夾雜。 因此，堿性焊條一般不單獨(dú)用硅脫氧。14、何謂沉淀脫氧？試述生產(chǎn)中常用的幾種沉淀脫氧反

37、應(yīng)。答：（1）沉淀脫氧是指溶解于液態(tài)金屬中的脫氧劑直接和熔池中的FeO起作用，使其轉(zhuǎn)化為不溶于液態(tài)金屬的氧化物，并析出轉(zhuǎn)入熔渣的一種脫氧方式。（2）生產(chǎn)中幾種常用的沉淀脫氧反應(yīng)： a 錳的脫氧反應(yīng)，Mn+FeO=Fe+(MnO) b 硅的脫氧反應(yīng)，Si+2FeO=2Fe+(SiO2) c 硅錳聯(lián)合脫氧反應(yīng)。15.綜合分析熔渣的堿度對(duì)脫氧、脫磷、脫硫的影響。脫氧 在熔渣脫氧時(shí)，堿度高不利于脫氧，但在用硅沉淀脫氧時(shí)，堿度高可以提高硅的脫氧效果。脫硫： 熔渣的還原性和堿度 渣中氧化鈣的濃度高和氧化亞鐵的濃度低都有利于反應(yīng)的行因此，在還原期中脫硫是有利的。熔渣堿度高也有利于脫硫。脫磷 脫磷的有利條件是

38、高堿度和強(qiáng)氧化性的、粘度小的熔渣，較大的渣量和較低的溫度。16.試述熔渣脫硫的原理及影響因素。答：（1）熔渣脫硫的原理與擴(kuò)散脫氧相似,。根據(jù)它是利用FeS在熔渣中和金屬液中的分配定律，通過(guò)在熔渣中脫S，達(dá)到對(duì)金屬的脫S作用。CaO、CaC2、MnO、MgO與熔渣中的FeS反應(yīng)而進(jìn)行脫硫，當(dāng)熔渣中的FeS含量減少時(shí)，鋼液中的FeS就向熔渣中擴(kuò)散，這樣就間接達(dá)到了脫去鋼液中FeS的目的。 （2）影響因素 a、熔渣的還原性和堿度。在熔渣還原期中和熔渣的堿度高時(shí)都有利于脫硫。 b、粘度。粘度小有利于脫硫。 c、溫度。脫硫反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，因此溫度高有利于脫硫。 d、硫的活度。硫的活度大，容易從金屬液中析

39、出，有利于脫硫。17.磷在鋼中有何危害？試述影響脫磷的因素有哪些。答：（1）當(dāng)鋼中含磷量過(guò)多時(shí)，將增加材料的冷脆性，即沖擊韌性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。在含碳量較高的低合金鋼和奧氏體鋼中，磷也會(huì)促使產(chǎn)生熱裂紋。 （2）影響脫磷的因素： a、熔渣的堿度和氧化性。高堿度和強(qiáng)氧化性的熔渣有利于脫磷反應(yīng)進(jìn)行。但當(dāng)堿度超過(guò)3.0以上時(shí)，進(jìn)一步提高堿度并不能將磷的分配比提得更高。實(shí)際上，熔渣堿度太高時(shí)，使得熔渣的粘度增大，反而使脫磷效果降低。 b、熔渣的粘度。粘度小有利于脫磷。 C、溫度。脫磷反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，降低溫度有利于反應(yīng)的進(jìn)行。但是，只有在高溫下才能獲得流動(dòng)性良好的高堿度熔渣，所以溫度必須適當(dāng)，才能

40、有效地脫磷。 d、渣量。渣量大有利于脫磷。但渣量也不能過(guò)多，因?yàn)樵煸枰拇罅康臒?，使耗電量增加，冶煉時(shí)間延長(zhǎng)。18.FeO在熔渣及鋼液中的分配常數(shù)L隨溫度升高而減小，焊接時(shí)FeO在熔滴階段和熔池前部高溫區(qū)容易向 鋼液 中過(guò)渡；酸性氧化物使熔渣中FeO活度 減小 ，因此酸性渣有利于熔渣中脫氧元素的擴(kuò)散脫氧。第10章 焊接熱影響區(qū)的組織和性能1.焊接熱影響區(qū)：熔焊時(shí)在高溫?zé)嵩醋饔孟?，靠近焊縫兩側(cè)一定范圍內(nèi)發(fā)生組織和性能變化的區(qū)域稱(chēng)為“焊接熱影響區(qū)” 。2.焊接熱循環(huán)：在焊接熱源的作用下，焊件上某點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程稱(chēng)為焊接熱循環(huán)。 3.焊接熱循環(huán)的參數(shù)及特征 加熱速度H、最高加熱溫度m、相

41、變溫度以上的停留時(shí)間tH、冷卻速度c4.低碳鋼焊接熱影響區(qū)由哪幾部分構(gòu)成？分別敘述各區(qū)域的組織與性能特點(diǎn)。 答：低碳鋼的熱影響區(qū)為： 1) 熔合區(qū) 焊縫與母材之間的過(guò)渡區(qū)域。熔合區(qū)最大的特征是具有明顯的化學(xué)成分不均勻性，從而引起組織、性能上的不均勻性，所以對(duì)焊接接頭的強(qiáng)度、韌性都有很大的影響。 2) 過(guò)熱區(qū)(粗晶區(qū)) 加熱溫度在固相線(xiàn)以下到晶粒開(kāi)始急劇長(zhǎng)大溫度(約為1100左右)范圍內(nèi)的區(qū)域叫過(guò)熱區(qū)。由于金屬處于過(guò)熱的狀態(tài)，奧氏體晶粒發(fā)生嚴(yán)重的粗化，冷卻之后便得到粗大的組織。并極易出現(xiàn)脆性的魏氏組織。故該區(qū)的塑性、韌性較差。 3) 相變重結(jié)晶區(qū)（正火區(qū)或細(xì)晶區(qū)） 該區(qū)的母材金屬被加熱到AC3至

42、1100左右溫度范圍，其中鐵素體和珠光體將發(fā)生重結(jié)晶，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。形成的奧氏體晶粒尺寸小于原鐵素體和珠光體，然后在空氣中冷卻就會(huì)得到均勻而細(xì)小的珠光體和鐵素體，相當(dāng)于熱處理時(shí)的正火組織，故亦稱(chēng)正火區(qū)。由于組織細(xì)密，此區(qū)的塑性和韌性均較好，是熱影響區(qū)中組織性能最佳的區(qū)段。 4) 不完全重結(jié)晶區(qū) 焊接時(shí)處于AC1AC3之間范圍內(nèi)的熱影響區(qū)屬于不完全重結(jié)晶區(qū)。因?yàn)樘幱贏C1AC3范圍內(nèi)只有一部分組織發(fā)生了相變重結(jié)晶過(guò)程，成為晶粒細(xì)小的鐵素體和珠光體，而另一部分是始終未能溶入奧氏體的剩余鐵素體，由于未經(jīng)重結(jié)晶仍保留粗大晶粒。所以此區(qū)特點(diǎn)是晶粒大小不一，組織不均勻，因此力學(xué)性能也不均勻。 5.焊接熱影響區(qū)的脆化類(lèi)型有哪幾種？答：粗晶脆化、組織轉(zhuǎn)變脆化、析出脆化、熱應(yīng)變時(shí)效脆化6.熔化焊的焊接接頭包括焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)三部分。7.焊接熱循環(huán)過(guò)程具有以下特點(diǎn)：峰值溫度高 ，加熱速度快 ，高溫停留時(shí)間短 ，冷卻速度快 ，加熱的局部性和移動(dòng)性 。8. M-A組元：焊接低合金鋼時(shí)，以一定冷卻速度連續(xù)冷卻到400350時(shí)，殘余奧氏體的碳濃度可達(dá)0.5%0.8%，隨后這些高碳奧氏體可轉(zhuǎn)變?yōu)楦咛捡R氏體與殘余奧氏體的混合物，即M-A組元。9簡(jiǎn)要說(shuō)明易淬火鋼和不易淬火鋼HAZ粗晶區(qū)的組織特點(diǎn)和對(duì)性能的影響？答：